CN106483381B - 超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法 - Google Patents

超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法，所述装置包括输出信号源、继电器开关、继电器开关、电流电压转换电路、电压测量电路、控制器和两路互补的非对称双极性精密可调电压源；所述方法首先设定激励电压为0V并断开继电器开关，然后由控制器根据微电流非对称调节算法调节两路非对称双极性精密可调电压源，直到电压测量电路的输出值小于设定阈值，接着根据电压测量电路的输出值计算得到补偿后的附加误差电流，最后闭合继电器开关进行实际测量并根据补偿算法得到消除附加误差电流后的泄漏电流。本发明解决了微小附加误差电流的精确补偿问题，显著提高了超高绝缘电阻测量分辨率、量程和一致性。

Description

超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及一种绝缘电阻测量装置及方法，尤其涉及一种超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流的补偿装置及方法。
背景技术
绝缘电阻测量是电气安规测量的重要内容，绝缘电阻测量一般是通过对被测元件两端施加测试电压Us，测量流经被测元件上的电流Is，再根据公式R＝Us/Is实现电阻的间接测量。超高绝缘电阻测量仪是测量量值在1012Ω以上电阻的测量装置，传统的超高阻测量依赖于提升测试电压，如5kV、10kV或更高，其目的是保证流经被测元件的电流在nA或uA以上。这种测量方案在如低压高绝缘薄膜电容器这类难以施加100V以上高电压的绝缘性能测试应用中难以适用，如何实现低压下超高绝缘电阻测量已成为现代电气安规测量领域的一个难题。
超高绝缘电阻测量的本质是检测流经被测元件的电流Is。但是，实际流入被测元件的电流不仅包括有效泄漏电流，还包括测量环路的附加误差电流。在低测试电压条件下，超高绝缘电阻元件的有效泄漏电流一般为pA级，甚至为小于1pA的亚pA级，此时有效泄漏电流量值低至与附加误差电流相近，测量误差显著增加，以至难以满足实际测量准确度需求；因此在低压超高绝缘电阻测量应用中，附加误差电流是扩展绝缘电阻测量范围、提高稳定性和一致性的重要制约瓶颈。
超高绝缘电阻测量仪测量环路的附加误差电流主要来自测量电路本身的本底泄漏电流、夹具电气网路分布参数引起的泄漏电流、夹具与被测元件触点热电势和引线电缆摩擦电引起的附加电流等，总附加误差电流常常大于10pA以上。如对于高绝缘的低压薄膜电容器，其绝缘电阻常常大于1TΩ，而测试条件常常在10V以下，此时有效的泄漏电流仅为10pA，而测量环路的附加误差电流幅度已接近或超过被测薄膜电容本身的泄漏电流，如何消除或抑制背景电流的误差影响是准确测量的关键。
目前商品化绝缘电阻测试仪通过在输入电流检测端施加一路补偿电流源进行附加误差电流补偿，该方法在nA以上电流检测时有很好的补偿效果，但当附加误差电流低于nA时，因补偿电流源输出电流的信噪比低，难以满足微误差电流的补偿需求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明采用双路非对称互补电流源进行附加误差电流补偿，当附加误差电流微小的时候，通过两路高信噪比电流源输出信号相减形成补偿电流，解决微小附加误差电流的精确补偿问题，以显著提高超高绝缘电阻测量分辨率、量程和一致性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置，包括输出信号源VS、继电器开关K1、电流电压转换电路、电压测量电路、控制器和两路互补的非对称双极性精密可调电压源；
所述电流电压转换电路包括运算放大器A和电阻RF，电阻RF的两端分别连接运算放大器A的反向输入端和输出端，运算放大器A的正向输入端接地；
所述两路互补的非对称双极性精密可调电压源包括可调电压源VC1和可调电压源VC2，可调电压源VC1的输出信号经精密电阻器RC1提供给运算放大器A的反向输入端，可调电压源VC2的输出信号经精密电阻器RC2提供给运算放大器A的反向输入端；
所述输出信号源VS用于产生激励电压US，输出信号源VS通过继电器开关K1连接被测元件DUT的一端，被测元件DUT的另一端连接运算放大器A的反向输入端，运算放大器A的输出端接电压测量电路的输入端，电压测量电路的输出端接控制器的输入端，控制器产生两路控制信号分别提供给可调电压源VC1和可调电压源VC2。
优选的，所述可调电压源VC1和可调电压源VC2均为16位数模转换器，控制器产生的两路控制信号分别对两个16位数模转换器进行控制，形成两个可调电源。优选的，所述精密电阻器RC1的阻值为1GΩ，精密电阻器RC2的阻值为10GΩ，可调电压源VC1与精密电阻器RC1串联形成第一路补偿电流源，可调电压源VC2与精密电阻器RC2串联形成第二路补偿电流源，第一路补偿电流源和第二路补偿电流源的分辨率比例系数为10:1。
该装置首先通过输出信号源VS、继电器开关K1、电流电压转换电路、电压测量电路和控制器建立超高绝缘电阻测量系统，两路互补的非对称双极性精密可调电压源与被测元件的低压侧并联接入电流电压转换电路前端；然后在每次实际被测元件测量之前，根据误差电流补偿调节算法控制非对称双极性精密可调电压源，测量附加误差电流，当附加误差电流小于一个阈值表明调节完成，该阈值取决与系统的分辨率和测量精度；最后，在实际测量时，根据绝缘电阻测量算法，修正实际流经被测元件的泄漏电流和被测元件的绝缘电阻阻值。
所述装置的超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿方法包括如下步骤：
(1)设定激励电压US＝0，并断开继电器开关K1；
(2)控制可调电压源VC1和可调电压源VC2的输出均为0V，记录电压测量电路的输出值为Ve，再由Ie0＝Ve/RF计算得到初始附加误差电流Ie0；
(3)对初始附加误差电流Ie0进行判断：若|Ie0|＞100pA，设置可调电压源VC1的输出值为Ie0×RC1，再利用PI调节算法调节可调电压源VC2，直至流入电流电压转换模块的附加误差电流|Ie(t)|≤Ith；若|Ie0|≤100pA，设置可调电压源VC1的输出值为100pA×RC1，再利用PI调节算法调节可调电压源VC2，直至流入电流电压转换模块的附加误差电流|Ie(t)|≤Ith；其中，Ith为设定阈值；
(4)根据电流电压转换电路的输出值Va(即电压测量电路的输入值)计算补偿后的剩余附加误差电流Ia＝Va/RF；
(5)闭合继电器开关K1，设定激励电压US，记录电压测量电路的输出值为Vx，再由Itotal＝Vx/RF计算得到流入电流电压转换电路的总电流Itotal，根据公式计算消除附加误差电流后的实际流入被测元件的有效泄漏电流I＝Itotal-Ia和绝缘电阻值R＝Vx/(Itotal-Ia)。
有益效果：本发明提供的超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法，采用最小分辨率0.01pA、最大补偿电流50nA的双极性补偿电流源，用来补偿附加误差电流，将附加误差电流减小到足够小；该方法能够快速准确地解决微小附加误差电流的精确补偿问题，显著提高超高绝缘电阻测量分辨率、量程和一致性。
附图说明
图1为本发明装置的原理框图；
图2为附加误差电流示意图；
图3为附加误差电流补偿电流源电原理图；
图4为电流电压转换电原理图；
图5为本发明方法的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，为一种超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置，包括输出信号源VS、继电器开关K1、电流电压转换电路、电压测量电路、控制器和两路互补的非对称双极性精密可调电压源；两路互补的非对称双极性精密可调电压源与被测元件DUT的低压侧并联接入电流电压转换电路前端；所述可调电压源VC1和可调电压源VC2的输出范围均为-5V～+5V，精密电阻器RC1和精密电阻器RC2的阻值分别为1GΩ和10GΩ，可调电压源VC1和可调电压源VC2分别经过这两个精密电阻器构成分辨率比例系数为10:1的补偿电流源。
如图2所示，流经电流电压转换电路的电流包括流经被测元件DUT的有效电流及附加误差电流；附加误差电流主要来自测量电路本身的本底泄漏电流、夹具电气网路分布参数引起的泄漏电流、夹具与被测元件触点热电势和引线电缆摩擦电引起的附加电流等，其等效附加电流分别为Ik1和Ik2，总附加误差电流常常大于10pA以上。
如图3所示为本发明的两路精密可调电流源产生电路，由微处理器控制16位模数转换芯片DAC8812产生精密电压源，再分别经过R120和R121构成非对称精密电流源。
如图4所示为本发明的电流电压检测电路，流经被测元件的电流输入端、两路补偿电流源均并联接入到运算放大器的反相输入端，运算放大器的反馈电路为根据不同电流选择的反馈电阻网络，通过继电器选择相应反馈电阻，继电器由微处理器控制。
如图5所示为本发明的工作流程，包括如下步骤：
(1)设定激励电压US＝0，并断开继电器开关K1；
(2)控制可调电压源VC1和可调电压源VC2的输出均为0V，记录电压测量电路的输出值为Ve，再由Ie0＝Ve/RF计算得到初始附加误差电流Ie0；
(3)对初始附加误差电流Ie0进行判断：若|Ie0|＞100pA，设置可调电压源VC1的输出值为Ie0×RC1，再利用PI调节算法调节可调电压源VC2，直至流入电流电压转换模块的附加误差电流|Ie(t)|≤Ith；若|Ie0|≤100pA，设置可调电压源VC1的输出值为100pA×RC1，再利用PI调节算法调节可调电压源VC2，直至流入电流电压转换模块的附加误差电流|Ie(t)|≤Ith；其中，Ith为设定阈值；
(4)根据电流电压转换电路的输出值Va(即电压测量电路的输入值)计算补偿后的剩余附加误差电流Ia＝Va/RF；
(5)闭合继电器开关K1，设定激励电压US，记录电压测量电路的输出值为Vx，再由Itotal＝Vx/RF计算得到流入电流电压转换电路的总电流Itotal，根据公式计算消除附加误差电流后的实际流入被测元件的有效泄漏电流I＝Itotal-Ia和绝缘电阻值R＝Vx/(Itotal-Ia)。
本案提供的超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置及方法，可产生最小分辨率0.01pA、最大补偿电流50nA的双极性补偿电流源，用用以补偿附加误差电流，将附加误差电流减小到足够小；该方法能够快速准确地解决微小附加误差电流的精确补偿问题，显著提高超高绝缘电阻测量分辨率、量程和一致性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿方法，基于超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿装置实现，所述装置包括输出信号源VS、继电器开关K1、电流电压转换电路、电压测量电路、控制器和两路互补的非对称双极性精密可调电压源；
所述电流电压转换电路包括运算放大器A和电阻RF，电阻RF的两端分别连接运算放大器A的反向输入端和输出端，运算放大器A的正向输入端接地；
所述两路互补的非对称双极性精密可调电压源包括可调电压源VC1和可调电压源VC2，可调电压源VC1的输出信号经精密电阻器RC1提供给运算放大器A的反向输入端，可调电压源VC2的输出信号经精密电阻器RC2提供给运算放大器A的反向输入端；
所述输出信号源VS用于产生激励电压US，输出信号源VS通过继电器开关K1连接被测元件DUT的一端，被测元件DUT的另一端连接运算放大器A的反向输入端，运算放大器A的输出端接电压测量电路的输入端，电压测量电路的输出端接控制器的输入端，控制器产生两路控制信号分别提供给可调电压源VC1和可调电压源VC2；
其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)设定激励电压US＝0，并断开继电器开关K1；
(2)控制可调电压源VC1和可调电压源VC2的输出均为0V，记录电压测量电路的输出值为Ve，再由Ie0＝Ve/RF计算得到初始附加误差电流Ie0；
(3)对初始附加误差电流Ie0进行判断：若|Ie0|＞100pA，设置可调电压源VC1的输出值为Ie0×RC1，再利用PI调节算法调节可调电压源VC2，直至流入电流电压转换电路的附加误差电流|Ie(t)|≤Ith；若|Ie0|≤100pA，设置可调电压源VC1的输出值为100pA×RC1，再利用PI调节算法调节可调电压源VC2，直至流入电流电压转换电路的附加误差电流|Ie(t)|≤Ith；其中，Ith为设定阈值；
(4)根据电流电压转换电路的输出值Va计算补偿后的剩余附加误差电流Ia＝Va/RF；
(5)闭合继电器开关K1，设定激励电压US，记录电压测量电路的输出值为Vx，再由Itotal＝Vx/RF计算得到流入电流电压转换电路的总电流Itotal，根据公式计算消除附加误差电流后的实际流入被测元件的有效泄漏电流I＝Itotal-Ia和绝缘电阻值R＝Vx/(Itotal-Ia)。
2.根据权利要求1所述的超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿方法，其特征在于：所述可调电压源VC1和可调电压源VC2均为16位数模转换器，控制器产生的两路控制信号分别对两个16位数模转换器进行控制，形成两个可调电源。
3.根据权利要求1所述的超高绝缘电阻测量仪用附加误差电流非对称补偿方法，其特征在于：所述精密电阻器RC1的阻值为1GΩ，精密电阻器RC2的阻值为10GΩ，可调电压源VC1与精密电阻器RC1串联形成第一路补偿电流源，可调电压源VC2与精密电阻器RC2串联形成第二路补偿电流源，第一路补偿电流源和第二路补偿电流源的分辨率比例系数为10:1。
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